Dinâmica do endossimbionte Wolbachia (Anaplasmataceae) nos níveis populacional e ontogenético de hospedeiros do subgrupo willistoni de Drosophila (Drosophilidae)

Abstract

Endossimbionte muito famosa e bem sucedida, a bactéria Wolbachia pipentis vive dentro de células de artrópodes e nematoides, e é conhecida por causar manipulações reprodutivas sobre seus hospedeiros, com o objetivo de aumentar sua própria frequência nas populações. Entretanto, apesar de ser conhecida classicamente como uma parasita reprodutiva, muitas evidências recentes demonstram que ela pode desenvolver relacionamentos mais amigáveis e estáveis com seus hospedeiros, mediante alguns acordos genéticos realizados com eles. Uma das características mais importantes de qualquer relação simbiótica é a densidade de infecção, já que a replicação do simbionte dentro do hospedeiro tem consequências diretas sobre, por exemplo, o nível de manipulação reprodutiva, o grau de virulência e as principais características da relação endossimbiótica. Dentre sua vasta gama de hospedeiros, Wolbachia desenvolve relações bastante interessantes com moscas do subgrupo willistoni de Drosophila. Foram registradas infecções em populações de D. willistoni com diferenças bem acentuadas no nível de infecção, com algumas linhagens apresentando titulação muito alta, enquanto outras possuem níveis apenas detectáveis por técnicas de hibridização. Tendo em vista a importância da densidade intracelular para o desfecho da relação com o hospedeiro, a manutenção de níveis tão desiguais de infecção em populações simpátricas se torna um problema biológico bastante interessante para ser investigado. Desta forma, o objetivo desta Dissertação de Mestrado foi averiguar mais aprofundadamente algumas características deste sistema simbiótico, para tentar entender como ele está sendo mantido durante o tempo evolutivo. Os principais achados deste trabalho são que, primeiramente, as infecções em alta titulação por Wolbachia são todas causadas pela linhagem wWil, enquanto que as infecções em baixa titulação são mantidas também por esta linhagem em alguns casos, porém em sua maioria por uma outra linhagem próxima, wAu-like. Como baixas e altas infecções são mantidas segregando aproximadamente em uma proporção 1:1 em populações de moscas de D. willistoni desde a Amazônia até os Pampas, nós investigamos se existiria uma associação entre os padrões de densidade de infecção e haplótipos mitocondriais das moscas hospedeiras, o que poderia explicar o padrão observado pelo efeito de uma varredura seletiva conduzida por Wolbachia. Nossos dados contradisseram tal hipótese, porém demonstraram que o padrão de variação mitocondrial das isolinhagens avaliadas poderia ser explicada por uma expansão demográfica. Ainda, nós desenvolvemos uma série de ensaios de avaliação de caracteres adaptativos das moscas, objetivando verificar se algum dos padrões de infecção observados poderia causar algum aumento de valor adaptativo em seus hospedeiros, assim explicando sua manutenção na população. Nós verificamos que a baixa infecção pela linhagem wAu-like está associada a uma maior fecundidade das fêmeas hospedeiras, enquanto que moscas infectadas com altas e baixas infecções pela linhagem wWil mostraram uma fecundidade menor. Unindo este dado com uma série de quantificações deste endossimbionte realizadas em estágios ontogenéticos de isolinhagens infectadas com diferentes modelos de infecção, nós propusemos que os dois tipos principais de infecção (wWil em alta densidade e wAu-like em baixa densidade) estão sendo mantidos em populações através de um equilíbrio entre o a maior fecundidade das fêmeas infectadas por wAu-like a maior eficiência de transmissão materna da infecção por wWil.

A quite famous and successful endossimbiont, the bacterium Wolbachia pipientis lives inside the cells from its arthropod and nematode hosts, and it is known to cause reproductive manipulations upon them in order to increase its own frequency in host populations. However, even though it is classically known as a reproductive parasite, recent evidences have demonstrated that it may develop more friendly relationships with its hosts by genetic agreements established between them. One of the most important characteristics of any symbiotic relationship is infection density, since the within-host symbiont replication has direct consequences upon the level of reproductive manipulation, the virulence degree and the endosymbiotic relationship’s main characteristics. Among its wide range of hosts, Wolbachia establishes quite interesting relationships with flies from the willistoni subgroup of Drosophila. It was recorded outstanding differences concerning the infection density among D. willistoni populations, with some isofemale lines presenting a very high density, while others are infected with Wolbachia in such low densities that are only rescued by hybridization techniques. Considering the importance of intracelular density to the symbiosis outcome, the maintenance of such unequal levels of infection in sympatric populations establishes an interesting biological issue that should be investigated. Therefore, this Masters Thesis aimed to more deeply ascertain some characteristics of such symbiotic system, in order to understand how it has been maintained throughout the evolutionary time. The main findings from this work are, first, that high-titer infections are all held by the wWil strain, whereas low-titer infectins are, in a few cases, also maintained by this same strain, although the majority of them are maintained by a closely-related strain, wAu-like. Since low and high-titer infections are segregating in an approximately 1:1 ratio in D. willistoni populations from the Amazonian Rainforest until the Pampas, we investigated if there is an association between the infection densities and mitochondrial haplotypes from the host flies, which would explain the observed pattern by a Wolbachia-conducted selective sweep. Our data contradicted such hypothesis, although it demonstrated that the mitochondrial variation could be explained by a demographic expansion of the species. Furthermore, we developed a series of fitness experiments with the flies, aiming to verify if any of the Wolbachia infection patterns could be associated to an increased adaptative value from their hosts, which would in turn explain their maintenance in host populations. We verified that the wAu-like low-titer infection is associated with an increased fecundity in its female hosts, while flies infected with either low or high-titer wWil showed a lower fecundity. Gathering this data with a series of qPCR Wolbachia quantifications among ontogenetic estages from flies of all infection types, we proposed that the two main infection types (high-titer wWil and low-titer wAu-like) are being maintained in the host populations by an equilbrium between the higher fecundity by females infected with wAu-like and a higher efficiency of transmission by wWil-infected flies.